钛合金高效高速数控加工机床应用现状与最新发展

钛合金高效高速数控加工机床应用现状与最新发展（2）钛合金高效高速数控加工机床应用现状与最新发展发表时间：2015/2/5作者：林胜来源：佳工网关键字：数控加工数控机床高速加工加工中心投稿收藏好文推荐打印本文较详细讨论了钛合金材切削加工之特点，以及对用于钛合金实现HEM-HSM加工的数控加工机床应满足的若干基本要求，具体介绍了几家全球著名的数控机床制造商近几年新推出的典型钛合金高效高速数控加工机床，最后讨论了高功率高转矩电主轴在钛合金HEM-HSM加工中应用，并通过这些介绍呈现了钛合金高效高速数控加工机床工业应用现状与发展趋势。钛合金立式高效高速数控加工机床大型立式五轴数控龙门结构型面铣削加工中心机床，用于加工大型铝合金材飞机整体构件时其良好开放性受到航宇制造业用户的青睐，得到了广泛应用。同样，许多数控机床制造商继承了这类机床的结构设计技术，推出了用于钛合金材整体构件HEM-HMS加工的大型立式五轴数控龙门结构型面铣削加工中心机床。大型数控机床制造商意大利JOBS公司新推出的专用于大型钛合金材HEM-HMS加工的立式五轴数控龙门加工中心Tarkus可作为这类机床的一典型实例。该机床主要用于钛合金、不锈钢和航空高温合金等硬合金的切削加工，最大特点是：机床龙门采用了全封闭立卧双框结构（Dual-FrameHVstructure），其X向龙门框架为固定的，通过工作台移动实现X轴运动，工件在龙门架之下，Z向龙门框架可上下移动实现Z轴运动。主轴装置在Z向上没有任何可移动的部件，主轴Z向运动就像机床本身在运动一样。这样，刀具切削点无论是远离还是接近工作台面，对主轴装置而言都是一样的，确保了在整个Z轴行程内的高精密加工品质。同时，这种立卧双框结构设计可提高机床结构刚性，减振性能优良，工作稳定。Tarkus机床配有机械驱动与液压夹紧的高刚性带两旋转轴的主轴铣头T35，A摆动轴+120°/-15°，C旋转轴360°连续，主轴功率42kW，转矩1,470Nm，基速270r/min，最高转速4,000r/min，刀具接口HSK-A100。机床采用了全封闭防护结构设计，X/Y/Z工作行程3,300（4,500）/2,100/1,000mm，进给速度32m/min；工作台面3,000×1,500mm，配置有70bar高压冷却润滑系统。铣头液压夹紧力达10,000Nm，可满足3坐标大负载加工应用需求。Tarkus立式五轴数控龙门加工中心著名的高速数控机床制造商德国Handtmann公司也为航空制造业新推出了专用于钛合金材HEM-HMS加工的立式龙门加工中心UBZtitanium。UBZTi机床采用模块化设计技术，为固定龙门架和移动工作台/托盘结构，X/Y/Z直线轴行程13,500/3,500/1,500mm，最大进给速度20m/min，加速度2m/s2，最大工作台面达12,000×2,000mm。机床配有带A摆动轴（+185°/-30°）和C旋转轴（±185°）的高刚性高转矩叉式主轴铣头，A/C轴由力矩电机驱动，使用液压夹紧锁定。主轴电机功率63kW（S6：80kW），转矩2,150Nm（S6：3,100Nm），最高转速6,000r/min，刀具接口HSK-A100或ISO50，并配有高达200bar高压大流量切削冷却润滑系统。此外，机床设计有全封闭安全防护装置和防撞击安全玻璃，具有良好视线性；设计新颖的人性化上下料准备区，可方便地从上方或左右两边进行工件加、卸载。UBZtitanium立式龙门加工中心机床多主轴钛合金立式高效高速数控加工机床实现钛合金材整体结构件高生产率批量生产加工已是航空飞机制造业所迫切需求的。为此，一些大型数控机床制造商采用配置多主轴实现并行加工技术来取得高生产率批量生产加工。美国MAGCincinnati机床公司为航空制造业新推出的专用于钛合金材加工的Ti-Profiler多主轴大型五坐标数控龙门移动式铣床可作为一典型实例。Ti-Profiler机床标准配置为3个主轴，可任选配4个或5个主轴，主轴最大/最小中心距为2,032/1,016mm；每个主轴连续功率51kW，转速40～3,500r/min，基速193r/min，转矩2,520Nm，设计有HSK-A125刀具接口。主轴最大功率/转速比高达0.25，为典型铝合金材高速数控MC机床的10多倍。机床3～5个主轴共享XYZAB轴编程，可同时加工3～5个同样零件，X/Y/Z轴行程8,230/3,149/711mm，进给速度达15/10/5m‧min-1，且X轴行程可扩展，最长可超过35m，AB轴行程±30°；进给速度3,000/min。Ti-Profiler多主轴大型五座标龙门移动式铣床Ti-Profiler机床和该公司同系列宽范围大型五轴龙门移动式铣削中心机床Wide-RangeProfiler相比，主轴转矩几乎提高了一倍，因而具有更高加工效率。据报道，在Ti-Profiler机床上使用直径76mm的CYCLOCUT高速钢端铣刀粗加工钛合金材，金属切除率mrr达328cm3/min，且刀具寿命可达到480min。Wide-RangeProfiler机床配置有连续功率为52kW，转速40～7,000r/min，基速370r/min，最大转矩1,342Nm，刀具接口为HSK-A100的主轴，X/Y/Z进给速度为10/10/2.5m•min-1，可用于钛合金和钢等硬合金材结构件的高效高速切削加工，也可用于铝合金高效切削加工。诸如波音、Spirit（斯匹里特）航空系统公司、乌拉尔波音制造工厂（UralBoeingManufacturing，UBM）等许多大型飞机结构件制造商都购置Ti-Profiler系列机床。据报道，在UBM工厂装备有多达6台Ti-Profiler机床，主要用于波音公司777/787和空客A380/A350WXB大型客机高强度钛合金起落架传动装置结构件的HEM-HSM切削加工。钛合金卧式高效高速数控加工机床在高效高速加工应用场合，和立式机床相比，卧式数控加工机床具有明显的优势：（1）由于采用悬挂式工件装夹，有利于切屑掉落排送，能有效减少切屑二次切削和工件二次热变形，延长刀具使用寿命，提高零件加工质量。（2）有利于高压大流量液压冷却系统更有效发挥作用，加快排屑，保持机床运行精度，延长刀具使用寿命，提高零件加工质量。（3）卧式机床容易设计与实现全封闭防护，实现高自动化运行，并具有更好的刚性。因此，许多新推出的钛合金高效高速加工机床多采用卧式结构。美国MAGCincinnati公司为航宇制造业新推出的专用于大型钛合金整体构件高效高速加工的HyperMachH4000GTi卧式五轴数控型面铣削中心可作为一典型实例。HyperMachGTi机床适用尺寸范围2×4/6/8m宽而长的钛合金整体结构件，采用固定式立柱和移动立式工作台/托盘（X轴，其余4轴为控制刀具运动）结构，固定立柱和X轴立式工作台基础床身之间通过4个柱体锁定连接在一起，成“口”字形封闭截面的构造。这种创新性结构布局设计，有利于控制机床热变形，并使得机床在重载切削加工以及在工作区上部空间位置处切削加工时能取得最大的刚性，从而可实现保持长宽工件各处的高刚性、高质量和高精度切削加工。为提高机床定位精度与刚性，X/Y/Z直线轴都采用了水冷伺服电机驱动，以消除高速运动及高加减速时产生的热量对定位精度的影响。主轴中心高压冷却系统和外部高压大流量冷却润滑系统作为机床标准配置，确保主轴高性能运行，延长刀具使用寿命，改善零件加工质量与精度，提高生产效率。HyperMachTMH4000GTi卧式五轴数控型面铣削中心GTi机床X轴进给速度50m/min，Y轴35m/min，旋转轴A/C通过蜗轮副驱动，转速10r/min，摆动轴A±110°和旋转轴C为360°连续。GTi机床可配置两种齿轮化高转矩主轴：功率30kW、转矩850Nm和最高转速6,000r/min，或者功率30kW、转矩1,050Nm和最高转速4,800r/min，其刀具接口均为HSK-A100。托盘/零件的加载设计为从机床的左边或右边或两边进行，易于实现托盘/零件加卸载自动化或集成为柔性制造单元FMC系统，实现多机床集成进行零件生产。此外，用户还可选配最新空间位置误差补偿技术软件包（VolumetricErrorCompensation，VEC），MAGCincinnati公司认为，采用VEC程序可使大型机床切削加工大型零件精度提高50%。近几年，日本Makino公司为航空制造业新推出了用于钛合金等难加工材的HEM-HSM加工而设计的两款高刚性卧式五数控加工中心机床HMCa81M和HMCT4，都配置有高功率高转矩主轴，前者针对中小尺寸零件，后者针对大尺寸零件而设计的。右图所示为HMCT4机床，其X/Y/Z直线轴行程为4,200/2,000/1,000mm，旋转轴A±110°，旋转轴C为360°连续。直线轴速度可达16m/min，旋转轴10r/min，加工零件的最大尺寸为4,000×1,500×700mm，承载5,000kg。T4机床最大特点是为取得高效率切削能力，配置有采用双逆变器驱动集成化AC主轴（稍后将有专门讨论），连续功率100kW（S6-25%：150kW），连续转矩1,000Nm（S6-25%：1,500Nm），基速955r/min，最高转速4,000r/min，刀具接口HSK-A125，功率转速比0.16，可提供最大20,000N的切削力，刀具夹紧力达100kN。为提高机床刚性与增强切削加工性能，T4机床除采用具有高功率高转矩和高夹紧力AC主轴外，还采用了高刚性结构设计技术，如其A轴采用高转矩（10,000Nm）驱动，主轴采用滚柱轴承支撑，特别设计的高刚性Y轴溜板结构等，设计有包括主轴中心冷却和外部加工区冷却的高压大流量冷却系统（7MPa，200L/min），并设计有通过平衡摩擦力与切削力来抑制低频加工震荡的有源阻尼系统。有源阻尼系统通过机床监测系统能够快速动态地改变机床运动导轨总摩擦力，从而抑制低频加工震荡。HMCT4卧式五轴数控加工中心机床据报道，在该机床上使用5齿5230VS12-A080R长刃刀具，挖槽切削加工Ti-6-4钛合金材时，切削速度74m/min，金属切除率mrr高达700cm3/min。Makino公司曾在该机床上加工一材料去除率mrr达80%，尺寸3,200×120×100mm的Ti-6-4航空结构件，仅用了不到10h时间，其中粗加工3h，使用Φ80mm5齿玉米型嵌片铣刀，切宽52mm，切深78.4mm，切削速度61.6m/min，进给率123mm/min，最高金属切除率mrr达500cm3/min；半精加工和精加工共7hr，使用Φ25mm10齿整体碳钢铣刀，切宽0.5mm，切深25mm，切削速度120m/min，进给率1,100mm/min，平均mrr为14cm3/min，并使用7MPa，200L/min高压大流量冷却，加工周期缩短了75%多。该零件原粗加工需15hr，其中1hr金属切除率mrr为100cm3/min，其余时间仅为20cm3/min，半精加工和精加工共花费了30hr，平均mrr仅为3.3cm3/min。随着航宇制造业对钛合金材整体结构件高效高速加工日益增长的需求，对用于钛合金材高速加工的主轴功率和转矩要求也越来越高，许多数控机床制造商新近推出的钛合金高效高速加工机床的主轴功率和转矩也趋向越来越高。如前面已介绍的德国Handtmann公司UBZTi机床，其功率达63kW，转矩2,150Nm。又如MAGCincinnati公司最新推出的HMC1250／1600系列五轴数控加工中心主轴功率达80kW，转矩2,600Nm；意大利JOBS公司新推出的五轴卧式数控加工中心JomaX269可装备有功率75kW，转矩2,500Nm的高功率高转矩主轴；日本MitsuiSeiki公司HS6A五轴数控加工中心配置的主轴，其转矩则高达3,300Nm，切削加工Ti6342钛合金材时金属切除率可达260cm3/min。据报道，波音公司P